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1、 5炉磨煤机制粉专家控制系统工作总结 台 州 发 电 厂设 备 部1 概述我厂#5机组为国产135MW机组，其制粉系统采用2套中储式球磨机制粉系统。 该机组于2004年底大修时安装和利时MACSII集散控制系统。但在DCS系统中没有成熟的中储式球磨机制粉控制系统，制粉系统还是维持人工操作，制粉系统效率得不到提高。而制粉系统如实现智能专家控制将能够自动寻找制粉系统最佳工况，它能保证制粉系统最大化的迫近最佳工况，它能够在运行中根据煤质变化及各种参数的变化自动寻找制粉系统的最佳差压，最佳出粉量（与给煤机给煤量对应，煤质等条件变化时此值会相应变化）等，减轻人员劳动强度，并且使煤粉的细度均匀性提高，同时
2、也使制粉效率大大高于人工操作。2005年5月份我们利用机组小修的机会，对制粉系统的控制进行了制粉系统专家控制系统的改造，将磨煤机的自动控制放在独立于DCS系统的专门控制站上实现，这样在修改磨煤机控制方案及调试时丝毫不影响DCS系统的运行，经过近一个月的调试，系统于七月十日投运，经与以前的统计数据比较，证明#5炉磨煤机系统在投入制粉专家控制系统后各方面指标都有提高，特别是制粉出力大大高于人工操作。2 磨煤机自动控制系统现状我厂磨煤机制粉系统的控制一直采用人工手动控制，目前国内中储式制粉系统的制粉系统成功投入自动运行的案例不多，在省内更是没有。3 磨煤机制粉专家控制系统改造方案A) 制粉系统控制存
3、在的难点图1：磨负荷与磨出入口差压关系曲线自上世纪80年代起，国内许多单位即开始了对中储式制粉系统实施自动控制的研究工作，但进展缓慢。许多控制方案只能在短时间内实现自动控制，无法长期可靠运行。其难点主要表现为：a)多控制变量的强耦合特点：中储式制粉系统是由球磨机、粗粉分离器、细粉分离器、排粉机、和相应连接管道组成的复杂的气固二相流系统，其风压、 风温、气流和煤流存在着强烈的耦合关系，对其任意参量的调节，都会对其它参量产生强烈的影响；b)有限的调节手段：制粉系统需要对磨煤机入口负压、出入口差压、出口温度、磨煤机负荷进行调节，一些系统同时还要求对磨煤机电流、排粉机电流等指标进行控制，但控制手段一般
4、只有热风门、循环风门（或温风门、冷风门等）和给煤机转速等有限的调节手段，在许多情况下由于风门开到极限，或执行机构故障，使某些调节手段退出调节，造成较少的调节手段完成较多的控制目标的局面。在理论上是无法同时满足所有控制要求的。这就要求对所有被控指标进行权衡，给出可实现的优化控制指标，达到各种工况下的最佳控制；c)强烈的非线性特征：在制粉系统中几乎所有的执行机构都存在非线性。由于气固二相流的湍流效应，使磨煤机出入口差压与磨煤机实际负荷呈现出强烈的稳态非线性回滞特征（图1所示）和动态的大迟延特性。这也是以往用给煤量控制差压的控制系统无法稳定的原因；图2：磨负荷与磨电流、磨噪声关系曲线d)不一致、非稳
5、定的磨煤机负荷特征表达：由于无法实现对磨煤机内部存煤量（负荷）的在线测量，磨煤机负荷判定只是由负荷特征量间接判断，运行人员和许多控制方案最常用的负荷特征为：磨煤机出入口差压、磨煤机电流和磨煤机噪声负荷（通过磨煤机噪声或震动强度判断负荷）。但这些负荷特征对负荷的表征通常并不是一致的、稳定的。差压由于其非线性只能对负荷的极端情况进行判断；磨煤机电流与负荷存在非单值对应关系（如图2所示），并最大磨煤机电流会因磨煤机钢球量的多少和机械性能的变化随时改变；磨煤机噪声也存在着噪声饱和现象（在磨煤机负荷较高时磨煤机特征噪声能量不再降低），同时存在着因钢球添加量和因环境产生的噪声漂移。因此根据任何单一负荷特征
6、，无法长期准确、可靠的判定磨煤机负荷；e)多因素产生的复杂的时变性：制粉系统是一个典型的时变系统，煤质的可磨性、挥发性、含水量，四季煤温和风温的不同，机组负荷造成的风温和风压的改变，磨煤钢球量的改变，机组维修过程中对制粉系统的维护和改造，都会使制粉系统的特征参量和特性发生变化。固定不变的控制参量无法使系统长期稳定的运行。由于以上制粉系统控制难点的存在和相互影响，使多数制粉系统控制方案无法实施，或实施一段时间后，控制品质下降，而无法继续使用。2、制粉系统专家控制系统所采取的措施：基于制粉系统的以上特性，不可能简单的单回路或几个单回路耦合就实现对如此复杂系统的可靠控制，因此在实际控制系统中，采用了
7、三层控制方式。如图3所示。此3层分别为： 图3：系统总体控制方式图其中：模糊解耦控制层： 对各个被控变量实施模糊控制并通过解耦器和调节控制器控制被控系统执行机构；解耦系数控制层：根据系统工况辨识和专家知识库，调整模糊耦合器的耦合系数；系统优化控制层：根据系统实时数据和历史数据，对系统控制性能分析评估，计算出对应于当前系统的最佳控制定值。具体实时方法为：a) 利用图形化模糊控制专用软件组成全面的模糊控制系统：现代模糊控制理论是将人类控制经验和思维方式数学化，并予以实施的控制手段。它控制灵活，对于复杂的系统控制具有特殊的优越性。但是由于其理论上的难度和知识库、推理机编写的复杂，给系统的设计、调试和
8、维护带来许多不便。为此本系统采用MECS控制软件包，将模糊控制方法简化为图形化组态，使其简单、直观、形象，将复杂的知识库和推理机过程图形化表达，在线直接组成控制组态。使复杂的模糊控制系统的设计、组态、调试简单易行。很好地实现对各种工况的判别和优化控制；图4：模糊控制器的基本结构b) 全方位的变参量解耦控制：通过对制粉系统风门开度和给煤量的调节，实现对制粉系统风量、风温、磨煤机负荷的全工况控制。与传统调节不同，本系统采用解耦方式完成给煤量、风量、风温调节，并根据制粉系统现实工况调整耦合系数，保证了在所有工况下系统制粉均匀和风温平稳。图5：磨煤机给煤量控制原理图c) 给煤量预估控制：由于各个火电厂
9、所用燃煤煤质波动较大，制粉系统的实时制粉能力起伏较大，影响系统控制稳定性。利用预估控制器，给出被控执行机构的预估输出值，模糊调节器在此基础上细致调节。而系统状态分析器则根据实时运行数据及历史数据分析计算而得到解耦器的各个调节回路的当前耦合系数。系统结构见图5。在此结构中给煤指令由预估控制器、系统状态分析器、参数控制回路共同确定，其算法模型如下： F(x)=f(预估)*f(作用量)*f(负荷、差压、温度) 此模型中的函数都是基于矩阵的函数式，给煤机指令最终受到预估值、系统状态系数、负荷、差压、温度等的综合控制，它们联合决定制粉系统的出力，使制粉系统能够在最大出力下稳定运行而不发生堵磨事故，当系统
10、运行特性变化后给煤机指令能够及时得到调整使系统始终维持优化运行。d) 磨煤机负荷的模糊判别和计算：磨煤机的各种负荷特征都无法单独稳定表达磨煤机的负荷水平，在控制系统中采用模糊识别技术，拟合出综合磨煤机负荷量，并将磨煤机最大磨电流对应负荷定义为50%，通过磨煤机电流负荷、噪声负荷和差压间在线运行过程中的相互校正，克服了单一表征量的非线性和钢球添加量和煤质的磨负荷测量影响，保证负荷测量的长期稳定，准确。e) 采用神经网络技术增加系统的自学习功能：由于系统存在时变性，因此控制系统需要对控制参量进行在线整定，因此我们将制粉系统与其控制系统，整体看作随这些控制参量变化的系统。逐步在确定的范围改变这些参量
11、，并以系统的稳定性、长期制粉效率、和偏差大小为标准，采用再激励学习控制机制对这样的变化进行取舍，使系统不断优化。f) 系统模糊协调控制： 中储式球磨机制粉系统是一个极其复杂的多变量输入输出系统，运行中需要维护磨入口风压、磨出口温度、磨出入口差压、磨负荷等参量的稳定，需要多个风门和给煤量配合完成。因机组负荷和煤质的不同，系统运行状态可分为多种特征工况，不同特征工况对应不同的特征调节方式，利用模糊逻辑，分析实际系统相对各种调整工况的所属关系，综合出实际的调节方式，可使系统在任何工况下实现平稳控制。另一方面，制粉系统的任意执行机构的变化，几乎影响所有被控参量，这就需要计算每个被控参量对个执行机构的耦
12、合参数，在控制中各执行机构的谐调动作，保证调节某一参量时，对其他参量影响最小。制粉系统智能专家控制系统具备以上控制功能，通过在线系统工况分析和耦合系数计算，可实现稳定的多变量输入输出系统控制。g) 系统优化控制：中储式制粉系统为多变量控制系统，风量、风温受锅炉负荷和环境的影响，煤质、钢球量也经常改变，所以该系统是一工况变化系统。对于不同工况，系统的控制目标不尽相同，要根据不同的工况对系统最佳控制目标进行分析计算。其最佳控制标准为：系统参量控制稳定，温度、风压在正常范围、制粉出力最大，制粉系统压力冷风风量较小，制粉粒度满足要求。h) 嵌入DCS系统的嵌入式结构：为了解决既方便组态调试及方案的修改
13、，又在这些修改的过程中不能影响机组的安全运行，同时又能有很高的可靠性以降低现场维护人员工作量，结合制粉系统是一个慢速系统的特性，我们利用DCS系统的硬件件可靠性高和开放性的特点，确定控制指令的输入输出执行由DCS系统实现，而设置一台控制站（一台通用计算机）通过与DCS系统通讯取得制粉系统各个参数，在控制站内完成计算后再将控制指令通过通讯返回给DCS系统执行。这样的系统结构带来如下好处：1）不占用DCS系统运算资源，由于算法都是在控制站内完成后送给DCS系统的，DCS系统内不需作任何运算，对DCS系统来说很安全；2）操作界面统一，因控制站只完成控制运算，最终的输入输出还是由DCS实现，操作也是设
14、置在DCS系统的操作员站上，这样可以保持操作风格的统一；3）现场维护工作量很小，由于增加的硬件只有两个噪声探头和一台控制站，硬件数量少同时又是通用的设备，可靠性高几乎不需要维护；4）修改控制组态算法方便，由于此控制站独立于DCS系统存在，所以在修改算法及参数时不会影响其它设备的正常运行，同时可以随时在控制站内增加新的算法功能；5）便于实现高级功能，现代的控制技术发展日新月异，而DCS系统提供的算法都是一些经典的算法模块，用于实现智能寻优、神经网络、模糊控制等新的控制算法时非常困难甚至做不到，即使实现了也非常复杂占用系统资源严重，而使用此结构则可以随心所欲的增加各种控制算法，系统资源占用不会有明
15、显变化。4 改造后系统的技术特点a) 实施全工况优化控制方案，在任何工况下均可实现自动控制。根据系统运行工况，实现该工况下的最优控制。利用系统自学习功能，监视系统特性的变化，保证在系统因煤质、钢球量、磨煤机本体发生变化时，保持对系统最优的控制品质，自动投入率达100。b) 节能效果显著：由于该系统可使球磨机长期稳定地运行在最佳工况和最佳煤负荷状态，因此明显降低了制粉耗电量。依据原有操作水平和球磨机类型，制粉效率可提高1030，节电10%以上。c) 通过对制粉系统风门开度和给煤量的调节，实现对制粉系统风量、风温、磨煤机负荷的全工况控制。与传统给煤量调节不同，本系统的给煤量调节参与对磨煤机风量、风
16、温的控制，保证了系统制粉的均匀性和风温的平稳。d) 制粉系统风压、风温、风量控制平稳，提高制粉粒度的均匀度，有助于改善锅炉燃烧，减少锅炉管道磨损。e) 彻底杜绝空磨运行和跑粉等事故发生，减少球磨机的磨损。f) 采用MECS组态编辑器组态系统控制。组态编辑器利用图形组态方式，进行在线组态，将运行人员对系统的控制经验转化为控制组态图。在线调试过程中，控制过程的各个参量，实时显示在组态图上，便于系统调试。g) 通过磨煤机电流负荷（以磨煤机电流为基础计算出的负荷值）和磨煤机噪声负荷（以磨煤机噪声传感器提供的负荷值）的相互修正，给出实时负荷值，消除了磨煤机噪声负荷的漂移、误差和负荷饱和等问题，可使磨煤机
17、的负荷计算保持长期稳定、准确，免维护。h) 具有远程维护功能，在制粉系统本体改造使制粉系统工作规程和性能发生较大变化时，提供及时远方控制方案修订，保证系统长期稳定，和节能效率。i) 人机界面友好，画面直观、生动，功能齐全，具有手动操作、定值设定、实时数据图表和曲线显示、历史数据显示、报警数据显示、数据报表打印等多种功能，便于操作和管理。5 项目实施过程总结a) 我厂的六台135MW机组配置有十二台中储式制粉系统，对制粉系统运行效率的提高各相关部门都很重视，运行效率已经比较高，全年的制粉单耗平均都已经控制在23kWh/t左右，但始终是人工手动调节，我们认为系统运行效率还是有潜力可挖的。随着我厂D
18、CS改造的逐步完成，机组的自动化水平也有了很大的提高，但制粉系统始终没能投入自动运行，运行人员的劳动强度下降也不理想。b) 2004年，我们通过调查研究，收集资料，认为实现制粉系统的自动控制和优化控制是可行的，决定进行这一控制的开发研究，成立了攻关小组，准备在2005年实现5号机组的制粉系统智能优化控制。c) 通过仔细的研究分析，2005年5月我们与软件开发商签定了委托开发合同，于2005年6月机组小修期间完成了系统的通讯联接，经过近一个月的调试，于2005年7月15日完成整套系统的调试及开发，投入运行，实际使用证明控制效果非常好，我厂的5号机制粉系统出力原来就是很好，但投入优化控制后其出力有了超过10%的提高，得到了运行人员的肯定。d) 通过近三个月的运行，于2005年10月初进行了系统性能的测试，测试数据表明系统投运大幅度的提高了制粉系统的运行效率，自动投入率完全达到100%，运行中运行人员再也不用专门去关注这个老大难系统了。
